[첨단 헬로티]

 

1. 서론

휴대정보단말 부품, 자동차 부품, LED 조명 커버, 역의 홈도어, 쇼케이스 등에서 유리수지 적층재의 응용과 전개가 기대되고 있다. 이 재료는 그림 1과 같이 박판 유리와 수지를 적층, 유리나 수지의 단체 재료에 비해 경량성·가스배리어성·내후성·차음성 등이 우수하다.

 

특히 그림 2와 같이 높은 내관통성·내충격성을 가지고 있는 것이 특징이다. 그러나 위험 재료인 유리와 점탄성 재료인 수지는 가공특성이 전혀 다르다. 기존의 유리나 수지 각각의 기술에서는 동시 가공이 어려웠다. 그렇기 때문에 이 재료의 실용화와 보급에는 고효율 절삭가공 기술의 개발이 과제로 되어 있다. 

▲ 그림 1. 유리수지 적층재 [출처 日本電氣硝子(주) HP에서 일부 편집]

▲ 그림 2. 높이 2m에서 130g의 강구를 떨어트린 낙구시험 [출처 日本電氣硝子(주) HP에서 일부 편집]

한편, 알루미늄, 동, 수지 등의 가공에서는 다결정 다이아몬드(PCD) 절삭공구가 많이 이용되고 있다. 그러나 난삭재나 복합재에 대응할 수 있는 미세 복합 공구는 소경 다수 날인 것이 요구되기 때문에 숫돌 연삭이나 방전가공 등의 종래 기술에서는 정도나 형상에 한계가 있다. 또한 최근에는 레이저에 의한 공구 성형 기술이 개발되고 있는데, 레이저 조사만으로 예리한 절삭날을 다듬질하는 것은 어렵다.

이에 여기에서는 초단펄스 레이저에 의한 미세 성형 기술을 이용해 공구를 성형, 유리수지 적층재의 고능률 절삭가공을 가능하게 하는 PCD 엔드밀 개발을 한 사례를 소개한다.

2. 초단펄스 레이저에 의한 PCD 엔드밀의 성형

(1) 레이저 공구 성형기의 장치 개발

이번 공구 개발은 우선 장치 개발에서 스타트했다. 그림 3은 개발한 레이저 공구 성형기이다. 초단펄스 레이저를 발전시켜, 갈바노 스캐너와 Fθ 렌즈에 의해 소정의 위치에 절삭날을 성형한다. 또한 동 기기에는 CCD 카메라가 설치되어 있으며, 절삭날의 성형 상태를 기상에서 관찰할 수 있다. 그림 4에 그 외관을 나타냈다.

▲ 그림 3. 개발한 공구 성형기의 기본 구성

▲ 그림 4. 개발한 공구 성형기의 외관

이 장치는 3파장의 초단펄스 레이저를 발진·주사할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다. IR 피코초 레이저로 효율적으로 거친가공하고, UV 피코초 레이저로 절삭날을 예리하게 다듬질함으로써 가공 능률과 표면 다듬질·정도의 향상을 도모하고 있다.

(2) 레이저 조사 조건의 최적화

개발한 레이저 공구 성형기를 이용해 PCD 공구를 성형하는 레이저 조사 조건의 최적화를 했다. 우선 플루엔스라고 불리는 레이저 조사 조건과 제거 효율의 관계를 조사한 결과, 주사 속도에 의존하지 않고 제거 효율 최대가 되는 플루엔스가 존재한다는 것을 알 수 있었다. 다음으로 레이저 현미경에 의한 조사 조건마다 날끝 라운드, 광간섭계에 의한 표면조도, 라만분광법에 의한 다이아몬드 구조의 변화 등을 조사함으로써 PCD 공구를 성형하기 위한 최적의 레이저 조사 조건을 도출했다. 그림 5는 방전가공이나 숫돌연삭에 의해 PCD 공구 날끝을 성형한 것과 개발한 초단펄스 레이저 장치에 의해 성형한 절삭날의 예리함을 비교한 것이다. 방전가공이나 숫돌연삭과 비교해 레이저 가공은 절삭날 날끝의 치핑이 없고, 절삭날의 직선성도 우수하다. 또한 입자지름 10μm의 PCD에 대해, 날끝 라운드가 수 μm 이하로 되어 있기 때문에 다이아몬드의 입자 자체를 커트한 날끝 성형을 실현하고 있는 것으로 생각된다.

▲ 그림 5. PCD 공구 날끝의 비교 (레이크면에서 촬영)

3. 유리와 수지의 동시 절삭용 PCD 공구의 개발

(1) 유리용 절삭날의 성형

유리 절삭을 가능하게 하는 날형을 성형했다. 포인트는 1날당 이송량 ft를 작게 하는 것이다. ft를 작게 하기 위해서는 다수 날의 성형과 진동이라고 불리는 날마다의 높이 편차를 억제하는 것이 중요해진다. 이에 그림 6과 같은 공구 지름 2mm, 날 수 24날의 PCD 공구를 시제작해, 주축회전수 60,000rev/min으로 유리 절삭시험을 했다. 절삭동력계를 이용해 절삭력을 조사한 결과, 1회전 중에 24개의 피크가 존재하는 것으로부터 모든 날이 작용하고 있다는 것을 확인했다. 이것에 의해 진동이 적은 다수 날의 유리 절삭날 성형을 실현했다.

▲ 그림 6. 시제작한 유리용 24날 PCD 공구

(2) 수지용 절삭날의 성형

수지 절삭에서 용해가 발생하지 않는 날형의 성형을 했다. 포인트는 예리한 날끝의 실현이다. 유리와 수지를 동시에 절삭하기 위해서는 미세 형상 내에 수지 날끝을 예리하게 할 필요가 있기 때문에 레이저를 이용한 날형 성형을 시도했다. 그 결과, 조사 조건의 최적화를 함으로써 수지 절삭에 적합한 날끝 라운드를 실현했다(그림 7). 방전가공은 수중 와이어 방전가공 4회 커트, 숫돌연삭은 다이아몬드 숫돌 SD4000, 레이저는 파장 1,064nm(IR)과 355nm(UV)의 피코초 레이저를 사용했다. 그 결과 그림 8, 9에 나타냈듯이 UV 피코초 레이저에 의해 날끝 라운드가 1μm 이하, 표면조도 Ra도 0.1μm 이하를 실현, 수지 절삭에 적합한 날끝 성형을 실현했다. 그림 10은 IR 피코초 레이저와 UV 피코초 레이저로 성형한 날에 의한 수지 절삭면을 비교한 것이다. 외경 6mm, 1날의 PCD 공구를 시험제작, 주축회전수 10,000rev/min, 이송 속도 800mm/min으로 판두께 2mm의 아크릴판을 절삭한 결과, UV 피코초 레이저 쪽이 투명도가 높은 양호한 절삭면을 얻었다. 이들로부터 레이저 가공에 의한 수지날의 성형을 실현했다.

▲ 그림 7. 레이저 현미경에 의한 PCD 날끝의 비교

▲ 그림 8. 날끝 라운드의 비교

▲ 그림 9. 표면조도의 비교

▲ 그림 10. 레이저에 의해 성형한 PCD 공구에 의한 수지 절삭면의 비교

(3) 유리와 수지의 동시 절삭용 PCD 공구

처음으로 유리와 수지의 동시 절삭의 과제 추출을 했다. 그 결과, 수지의 절삭칩 배출성 향상과 유리의 결손 대책이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 그림 11과 같은 공구를 시제작해 판두께 0.35mm의 수지 상하를 판두께 0.1mm의 유리로 중책한 0.55mm의 유리수지 적층재의 절삭시험을 했다. 유리를 절삭하기 위해서는 1날당 이송량을 0.5μm 이하로 할 필요가 있으며, 또한 주축회전수 60,000rev/min, 테이블 이송 속도 100mm/min(주속 377m/min, 1날당 이송량 0.1μm/날)로 했다. 이 때 절삭 후에는 그림 12와 같이 공구와 지그의 홈에도 수지의 절삭칩이 잔류, 다듬질면에는 수지층의 용착과 유리층의 균열이 관찰되고 있다. 원래 상하 유리층의 절삭에서는 단위시간당 이송을 높게 하기 위해 절삭날 수를 늘리는 것이 바람직하지만, 날 홈의 간격이 좁아지고 절삭칩의 배출성이 악화된다. 이에 수지층 절삭용 절삭날에 대해서는 절삭칩 배출성 향상을, 유리 절삭용 절삭날에서는 유리의 취성 손상이 생기지 않는 최소 절삭날 수를 검토했다.

▲ 그림 11. 유리수지 적층재(왼쪽)와 시제작 공구(오른쪽)

▲ 그림 12. 절삭 후에 절삭칩이 용착한 공구(왼쪽)와 워크(오른쪽)

다음으로 절삭칩의 배출성 향상을 도모했다. 절삭칩의 배출성을 높이기 위해 그림 13과 같이 공구 중앙부 아래쪽에서 중앙부로 구멍을 만들고, 또한 아랫면에는 절삭칩이 원활하게 배출되도록 홈을 붙인 공구를 성형했다. 그림 14는 이 공구로 절삭가공을 한 절삭날 상황과 지그의 절삭칩 잔류 상황이다. 공구에 대해서는 절삭칩의 용착이 억제되고, 지그의 홈에는 절삭칩 막힘이 저감되고 있다.

▲ 그림 13. 절삭칩 배출 구조

▲ 그림 14. 절삭 후에 절삭칩이 용착하지 않았던 공구(왼쪽)와 워크(오른쪽)

다음으로 유리의 결손량 저감을 도모했다. 단일 절삭날로 유리를 절삭했을 때의 절삭날 파형에 기초해 복수 절삭날의 절삭력 변동을 시뮬레이션한 결과, 홀수 날쪽이 짝수 날에 비해 진동 성분이 적어진다는 것을 알 수 있었다. 또한 실제로 10날에서 13날의 공구를 제작해 절삭시험한 결과, 그림 15와 같이 11날과 12날은 균열 전파 영역이 작아졌다. 시뮬레이션에서는 12날보다 11날 쪽이 절삭력 진동이 적고 안정된 절삭을 기대할 수 있다. 이상의 고찰에 의해 유리 절삭용 절삭날 수를 11날로 했다.

▲ 그림 15. 날 수에 의한 균열 전파 영역의 영향

그림 16은 개발한 공구이고, 그림 17은 그 공구로 절삭한 유리수지 적층재의 절삭 단면이다. 유리층에 대해서는 균열 전파 영역의 최대값이 10μm 이하로, 수지층의 다듬질면에서는 용융, 용착이 없는 다듬질면을 얻을 수 있었다.

▲ 그림 16. 유리수지 적층재 가공용 PCD 엔드밀

▲ 그림 17. 개발 공구에 의한 유리수지 적층재의 절삭 단면

4. 맺음말

유리수지 적층재의 고능률 절삭가공을 가능하게 하는 PCD 엔드밀 개발을 한 사례를 소개했다. 개발한 초단펄스 레이저 장치를 이용해 PCD 공구 성형에 대한 레이저 조사 조건의 최적화를 해, 유리와 수지의 동시 절삭 과제를 해결했다. 이상과 같이 이 공구 개발은 초단펄스 레이저에 의한 미세 가공 기술을 공구 제조에 적용함으로써 공구 성능이 비약적으로 높아질 가능성을 시사하고 있다. 앞으로 많은 복합재와 난삭재에 대해 이와 같은 성형 기술을 응용하고 싶다고 생각한다.

공구 성형 기술과 함께 평가 기술도 중요하므로, 자사는 2017년 1월에 절삭평가시험을 목적으로 R&D센터를 개설했다. 고속 회전 등 여러 가지 절삭 조건에 대응한 절삭시험기와 전자현미경, 광간섭 형상측정기, 레이저 현미경, 라만분광계, 하이스피드 카메라, 절삭동력계 등의 측정기를 준비, 절삭시험과 평가·해석을 동시에 할 수 있는 환경을 갖추고 있다. 앞으로 절삭가공에 관해 향상된 서비스와 품질을 제공, ‘제조’에 공헌해 가고 싶다.

우치야마 후미히로 (內山 文宏)   ㈜內山刃物 대표이사

본 기사는 일본 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.